JP6897401B2 - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。
特許文献1には、半導体レーザーから照射された励起光の照度分布を一対のマルチレンズアレイからなるホモジナイザー光学系により均一化して、波長変換素子に入射させる照明装置が開示されている。このような照明装置において、ホモジナイザー光学系の一対のマルチレンズアレイは、1対1で対応する複数の小レンズから構成されている。
特開2016−186523号公報
従来構造においては、実装精度のバラつきなどの要因によって半導体レーザーから照射された励起光が、波長変換素子から外れた位置に入射する場合があった。より具体的には、一方のマルチレンズアレイの小レンズから射出された光のうち他方のマルチレンズアレイの対応しない小レンズに入射した光が、波長変換素子における励起光の入射領域からずれた位置に入射する場合がある。波長変換素子の入射領域から外れた励起光は、迷光となりライトガイド等の他部品に損傷を与える虞がある。また、波長変換素子が接合層によって支持部材などに固定されている場合には、波長変換素子の周囲に設けられている接合層に励起光が入射して接合層の劣化を招く虞がある。
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、迷光を遮ることにより、迷光が他部材に損傷を与えることを抑制した光源装置の提供を目的の1つとする。また、当該光源装置を備えたプロジェクターを提供することを目的の1つとする。
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の光源装置は、光源と、前記光源から射出された光が入射する複数の第1レンズを有する第1のマルチレンズアレイと、それぞれ対応する前記第1レンズを透過した光が入射する複数の第2レンズを有する第2のマルチレンズアレイとを備え、前記光源から射出された光を均一化するホモジナイザー光学系と、前記ホモジナイザー光学系から射出した光の光量を制御する光量制御素子と、前記光量制御素子を通過した光を集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された光が入射する拡散素子と、を備える。
上記の構成において、ホモジナイザー光学系は、複数の第1レンズを有する第1のマルチレンズアレイと、それぞれ対応する第1レンズを透過した光が入射する複数の第2レンズを有する第2のマルチレンズアレイとを備える。すなわち、第1レンズと第2レンズとは、互いに一対一で対応している。このため、ホモジナイザー光学系による光の均一化の過程で第1のマルチレンズアレイの第1レンズから射出された光のうち第2のマルチレンズアレイの対応しない第2レンズに入射した光が、迷光となる虞がある。上記の構成によれば、ホモジナイザー光学系と集光光学系との間に光量制御素子を設けることで、光の均一化の過程で形成された迷光を光量制限素子で遮り、他部材に入射することを抑制できる。より具体的には、集光光学系で集光され拡散素子の表面に形成される集光領域以外の領域に、迷光が入射することを抑制できる。よって、拡散素子の拡散層が接合層によって固定される場合、拡散層の周囲(拡散層の外周)に設けられている接合層に迷光が入射することを抑制でき、接合層の劣化を抑制できる。すなわち、上記の構成によれば、迷光を遮ることにより、迷光が他部材に損傷を与えることを抑制した光源装置を提供できる。
一般的に、集光光学系と拡散素子の拡散層とはできるだけ近接して配置することが好ましい。特に、拡散素子が入射した光を拡散すると共に反射する場合、集光光学系には、拡散素子で拡散および反射された光をできるだけ入射させるために、集光光学系と拡散素子との間の隙間は、例えば、1mm-2mmに設定されることが好ましく、この場合、光量制御素子を集光光学系と拡散素子との間に配置することは困難である。上記の構成によれば、ホモジナイザー光学系と集光光学系との間に光量制御素子を配置することで、集光光学系と光量制御素子との隙間を狭くして、拡散素子から射出される光が集光光学系に入射されないことを抑制しつつ、拡散素子において、集光光学系で集光された光が入射する領域以外の領域に迷光が入射することを抑制できる。
なお、拡散素子としては、入射した光の波長を変換しつつ光を拡散する波長変換素子であっても、入射した光を拡散させて反射又は透過させる拡散板(拡散反射素子)であってよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記拡散素子は、入射した光を拡散させる拡散層と、前記拡散層を支持する支持体と、前記拡散層と前記支持体とを接合する接合層と、を有する構成としてもよい。
上記の構成によれば、拡散層を支持体に固定した拡散素子を実現できる。また、このような拡散素子を用いる場合に、光量制御素子を用いることで接合層に光が入射することを抑制することができるため、接合層が劣化することがなく拡散層の保持の信頼性を高めることができる。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記光量制御素子は、開口部が設けられた本体部を有し、前記光量制御素子は、前記本体部で一部の光を遮るとともに、前記開口部に一部の光を通過させて光量を制御する構成としてもよい。
上記の構成によれば、開口部を通過した光のみを拡散素子の拡散層に入射させることができる。また、拡散層の外側に入射しようとする光を本体部で遮ることができる。なお、ここで開口部とは、光軸方向に沿って光源制御素子を見る場合に、光を通過させる領域が設けられていればよい。また、本体部は複数部材で構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記ホモジナイザー光学系と前記光量制御素子との間に位置し、前記ホモジナイザー光学系から射出された光を前記光量制御素子の前記開口部に重畳させる重畳光学系を有する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ホモジナイザーの後段に重畳光学系を設けることで、マルチレンズアレイで分割された光束を重ね合わせる(重畳する)ことができる。これにより、集光光学系により拡散素子の拡散層に集光される領域と相似形状の領域を形成することができる。この領域を光量制御素子の開口部に一致させることで、拡散層の外側の領域に入射しようとする光を光量制御素子の本体部で遮ることができる。
なお、光量制御素子の開口部の形状は、拡散層の形状と相似形状とすることが好ましい。さらに、光源から射出した光をできるだけ拡散層に入射させるため(すなわち、光の利用効率を高めるために)、開口部の形状は、第1のレンズアレイの第1レンズと相似形状であることが好ましい。
さらに、光量制御素子の開口部と拡散素子の拡散層とは、共役関係となるように配置されることが好ましい。また、光の利用効率を高めるために、光量制御素子の開口部は、第1のレンズアレイと共役関係となるように配置されることが好ましい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記光量制御素子と前記集光光学系との間に位置し、前記光量制御素子を透過した光を平行化するコリメーター光学系と、を備える構成としてもよい。
上記の構成によれば、重畳光学系が設けられた構成において光量制御素子の後段にコリメーター光学系が設けられている。これにより、重畳光学系で集光されたのち拡散する光を平行化または略平行化して、集光光学系に入射させることができため、集光光学系を小型化できる。なお、ここで光を略平行化するとは、通過する光を略平行光とすることを意味する。また、略平行光とは、光を構成する光線同士のなす角が十分に小さい状態の光を意味する。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記重畳光学系が、非球面レンズである構成としてもよい。
上記の構成によれば、重畳光学系が非球面レンズであるため、重畳光学系によりトップハット分布の重畳領域を形成して光の利用効率を高めることができる。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記光量制御素子の前記本体部は、入射した光を吸収する構成としてもよい。
上記の構成によれば、本体部が入射した光を吸収することで、光量制御素子で遮った光が光源装置の内部で迷光となることを抑制できる。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記光量制御素子の前記本体部は、入射した光を反射し、前記光量制御素子は、前記本体部で反射された光を吸収する受光体を有する構成としてもよい。
上記の構成によれば、本体部が入射した光を反射し、反射した光をさらに受光体で吸収することで、光量制御素子で遮った光が光源装置の内部で迷光となることを抑制できる。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記拡散素子は、前記光源から射出された光の波長を変換する波長変換素子であってもよい。
上記の構成によれば、波長変換素子の入射領域以外の領域に光が入射することを抑制できる。拡散素子として波長変換素子を用いるとともに、波長変換素子を接合層によって固定する場合には、拡散層の周囲(拡散層の外周)に設けられている接合層に迷光が入射することを抑制でき、結果的に波長変換素子の剥離を抑制できる。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記照明装置から射出される光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備える。
上記の構成によれば、本発明の一つの態様の光源装置を備えたことにより、迷光を遮り迷光が他部材に損傷を与えることを抑制したプロジェクターを提供できる。
図1は、第1実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。 図2は、第1実施形態の照明装置の概略構成を示す図である。 図3は、第1実施形態のホモジナイザー光学系から波長変換素子に至る光路を示す模式図である。 図4は、第1実施形態の変形例の光量制御素子および光量制御素子に入射する光の光路を示す模式図である。 図5は、第2実施形態の照明装置の概略構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
(第1実施形態)
まず、本実施形態に係るプロジェクター1の一例について説明する。
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態のプロジェクター1は、スクリーンSCR上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、照明装置2と、色分離光学系3と、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bと、合成光学系5と、投射光学系6とを備えている。
色分離光学系3は、照明光WLを赤色光LRと、緑色光LGと、青色光LBとに分離する。色分離光学系3は、第1のダイクロイックミラー7aおよび第2のダイクロイックミラー7bと、第1の全反射ミラー8a、第2の全反射ミラー8bおよび第3の全反射ミラー8cと、第1のリレーレンズ9aおよび第2のリレーレンズ9bとを備えている。
第1のダイクロイックミラー7aは、照明装置2からの照明光WLを赤色光LRと、その他の光(緑色光LGおよび青色光LB)とに分離する。第1のダイクロイックミラー7aは、分離された赤色光LRを透過すると共に、その他の光を反射する。第2のダイクロイックミラー7bは、緑色光LGを反射すると共に青色光LBを透過させる。
第1の全反射ミラー8aは、赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。第2の全反射ミラー8bおよび第3の全反射ミラー8cは、青色光LBを光変調装置4Bに導く。緑色光LGは、第2のダイクロイックミラー7bから光変調装置4Gに向けて反射される。
第1のリレーレンズ9aおよび第2のリレーレンズ9bは、青色光LBの光路中における第2のダイクロイックミラー7bの後段に配置されている。
光変調装置4Rは、赤色光LRを画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。
光変調装置4Gは、緑色光LGを画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置4Bは、青色光LBを画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。
光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側および射出側各々には、偏光板(図示せず。)が配置されている。
また、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bの入射側には、それぞれフィールドレンズ10R,フィールドレンズ10G,フィールドレンズ10Bが配置されている。
合成光学系5には、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bからの各画像光が入射する。合成光学系5は、各画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系6に向けて射出する。合成光学系5には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。
投射光学系6は、投射レンズ群からなり、合成光学系5により合成された画像光をスクリーンSCRに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンSCR上には、拡大されたカラー映像が表示される。
(照明装置)
続いて、本発明の一実施形態に係る照明装置2について説明する。図2は照明装置2の概略構成を示す図である。図2に示すように、照明装置2は、光源装置2Aと、インテグレーター光学系31と、偏光変換素子32と、重畳レンズ33aとを備えている。本実施形態において、インテグレーター光学系31と重畳レンズ33aとは照明装置重畳光学系33を構成している。
光源装置2Aは、アレイ光源21と、コリメーター光学系22と、アフォーカル光学系23と、ホモジナイザー光学系24と、重畳光学系41と、光量制御素子40と、コリメーター光学系42と、第1の位相差板28aと、偏光分離素子50Aを含む光学素子25Aと、第1の集光光学系(集光光学系)26と、波長変換素子(拡散素子)27と、第2の位相差板28bと、第2の集光光学系(集光光学系)29と、拡散反射素子(拡散素子)30と、を有している。
なお、本実施形態において、波長変換素子27および拡散反射素子30は、共に特許請求の範囲に記載の「拡散素子」に相当する。すなわち、本実施系形態の光源装置2Aは、2つの拡散素子を有する。
光源装置2Aにおいて、アレイ光源21と、コリメーター光学系22と、アフォーカル光学系23と、ホモジナイザー光学系24と、重畳光学系41と、光量制御素子40と、コリメーター光学系42と、第1の位相差板28aと、光学素子25Aと、第2の位相差板28bと、第2の集光光学系29と、拡散反射素子30とは、光軸ax1上に順次配置されている。
光源装置2Aにおいて、波長変換素子27と、第1の集光光学系26と、光学素子25Aと、インテグレーター光学系31と、偏光変換素子32と、重畳レンズ33aとは、光軸ax2上に順次配置されている。光軸ax1と光軸ax2とは、同一面内にあり、互いに直交する。光軸ax2は照明装置2の照明光軸に相当する。
アレイ光源21は、複数の半導体レーザー(光源)21aを備える。複数の半導体レーザー21aは光軸ax1と直交する面内において、アレイ状に配置されている。半導体レーザー21aは、例えば青色の光線束BL(例えばピーク波長が460nmのレーザー光)を射出する。アレイ光源21は、複数の光線からなる光線束BLを射出する。
アレイ光源21から射出された光線束BLは、コリメーター光学系22に入射する。コリメーター光学系22は、アレイ光源21から射出された光線束BLを平行光に変換する。コリメーター光学系22は、例えばアレイ状に配置された複数のレーザー用コリメーターレンズ22aから構成されている。複数のレーザー用コリメーターレンズ22aは、複数の半導体レーザー21aに対応して配置されている。
コリメーター光学系22を通過した光線束BLは、アフォーカル光学系23に入射する。アフォーカル光学系23は、光線束BLの光束径を調整する。アフォーカル光学系23は、例えば凸レンズ23a,凹レンズ23bから構成されている。
アフォーカル光学系23を通過した光線束BLは、ホモジナイザー光学系24に入射する。ホモジナイザー光学系24は、アレイ光源21から射出された光線束BLの光強度分布均一化する。
ホモジナイザー光学系24は、第1のマルチレンズアレイ24aと、第2のマルチレンズアレイ24bと、を有している。第2のマルチレンズアレイ24bは、第1のマルチレンズアレイ24aの後段に位置する。ホモジナイザー光学系24において、光線束BLは、第1のマルチレンズアレイ24aを通過した後に第2のマルチレンズアレイ24bを通過する。
第1のマルチレンズアレイ24aは、複数の第1レンズ24a1が光軸ax1と直交する面内に複数行、複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。第1のマルチレンズアレイ24aは、アフォーカル光学系23から射出された光を複数の部分光束に分割する光束分割素子として機能する。
第2のマルチレンズアレイ24bは、第1のマルチレンズアレイ24aと同様に、複数の第2レンズ24b1が光軸ax1に直交する面内に複数行、複数列のマトリクス状に配列された構成を有する。第2のマルチレンズアレイ24bは、後段の重畳光学系41と共に、第1のマルチレンズアレイ24aの第1レンズ24a1の像を光量制御素子40の開口部40bに結像させる機能を有する。
ホモジナイザー光学系24において、第1のマルチレンズアレイ24aの複数の第1レンズ24a1と、第2のマルチレンズアレイ24bの複数の第2レンズ24b1は、それぞれ一対一で対応する。すなわち、第1のマルチレンズアレイ24aおよび第2のマルチレンズアレイ24bは、互いに一対一で対応する複数の第1レンズ24a1および第2レンズ24b1を有する。したがって、第1レンズ24a1と第2レンズ24b1は、互いに同数である。また、光軸ax1に沿う方向から見て、それぞれの第1レンズ24a1は、対応する1つの第2レンズ24b1と重なる。1つの第1レンズ24a1から射出された光は、対応する第2レンズ24b1に入射する。
ホモジナイザー光学系24から射出された光線束BLは、重畳光学系41に入射する。すなわち、重畳光学系41は、ホモジナイザー光学系24と光量制御素子40との間に位置する。重畳光学系41は、例えば重畳レンズ41aから構成される。本実施形態の重畳光学系41は、1つの重畳レンズ41aから構成されるが、重畳光学系41は、光軸ax1に並ぶ複数のレンズから構成されていてもよい。
重畳光学系41は、ホモジナイザー光学系24から射出された複数の光束を重畳させて重畳領域CA1を形成する。重畳領域CA1は、後段の光量制御素子40の開口部40bに配置される。重畳光学系41は、非球面レンズである。すなわち、重畳光学系41は、非球面(例えば、自由曲面)からなる領域を有している。重畳光学系41として非球面レンズを用いることで、設計自由度が高まるため、単に光を重畳させるのみならず、重畳領域CA1内の分布を自由に設定できる。このため、重畳光学系41によりトップハット分布の重畳領域CA1を光量制御素子40の開口部40bに形成することができる。
重畳光学系41から射出された光線束BLは、光量制御素子40に入射する。光量制御素子40は、ホモジナイザー光学系24から射出され重畳光学系41で集光された光の光量を制御する。
光量制御素子40は、開口部40bが設けられた板状の本体部40aを有する。光量制御素子40は、本体部40aで一部の光を遮り開口部40bに一部の光を通過させて光量を制御する、本体部40aは、光を吸収する色および素材から構成されている。本体部40aは、入射した光を吸収することで光を遮る。
なお、光量制御素子40のより詳細な作用効果については、後段において図3を基に説明する。
光量制御素子40を通過した光線束BLは、コリメーター光学系42に入射する。コリメーター光学系42は、光量制御素子40と第1の集光光学系26との間に位置する。コリメーター光学系42は、例えばコリメーターレンズ42aから構成される。本実施形態のコリメーター光学系42は、1つのコリメーターレンズ42aから構成されるが、コリメーター光学系42は、光軸ax1に並ぶ複数のレンズから構成されていてもよい。コリメーター光学系42は、重畳光学系41において集光され光量制御素子40を透過した後に拡散する光を平行化または略平行化する。
コリメーター光学系42を通過した光線束BL、は第1の位相差板28aに入射する。第1の位相差板28aは、例えば光学軸を光軸ax1の周りに回転可能とされた1/2波長板である。光線束BLは直線偏光である。第1の位相差板28aの回転角度を適切に設定することにより、第1の位相差板28aを透過した光線束BLを、偏光分離素子50Aに対するS偏光成分とP偏光成分とを所定の比率で含む光線とすることができる。
第1の位相差板28aを通過することでS偏光成分とP偏光成分とを含む光線束BLは光学素子25Aに入射する。光学素子25Aは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムから構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ax1に対して45°の角度をなす傾斜面Kを有している。傾斜面Kは、光軸ax2に対しても45°の角度をなしている。
傾斜面Kには、波長選択特性を有する偏光分離素子50Aが設けられている。偏光分離素子50Aは、光線束BLを、偏光分離素子50Aに対するS偏光成分の光線束BLsとP偏光成分の光線束BLpとに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子50Aは、S偏光成分の光線束BLsを反射させ、P偏光成分の光線束BLpを透過させる。
また、偏光分離素子50Aは光線束BLとは波長帯が異なる蛍光YLを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。
偏光分離素子50Aから射出されたS偏光の光線束BLsは、第1の集光光学系26に入射する。第1の集光光学系26は、光線束BLsを励起光として蛍光体層34に向けて集光させる。すなわち、第1の集光光学系26は、光量制御素子40を通過し、偏光分離素子50Aを経た光を集光する。
本実施形態において、第1の集光光学系26は、例えば第1レンズ26aおよび第2レンズ26bから構成されている。第1の集光光学系26から集光された光線束BLsは、波長変換素子27に集光した状態で入射する。第1の集光光学系26は、波長変換素子27の蛍光体層34の表面に集光領域CA2を形成する。
波長変換素子27は、入射した光を拡散させる蛍光体層(拡散層)34と、蛍光体層34を支持する支持体35と、蛍光体層34と支持体35とを接合する接合層36と、を有する。
蛍光体層34は、光線束BLsによって励起され、例えば500〜700nmの波長域にピーク波長を有する蛍光(黄色光)YLを射出する。蛍光体層34は、拡散層としても機能する。すなわち、蛍光体層34は、ランバート拡散する蛍光YLを射出する。
接合層36は、蛍光体層34の光線束BLsが入射する側とは反対側の裏面34bと支持体35との間に位置しこれらを互いに固定する。接合層36は、蛍光体層34を強固に保持するために裏面34bの全体を覆うように配置される。このため、本実施形態の接合層36は、一部が平面視で蛍光体層34の外側にはみ出す。
支持体35としては熱伝導性に優れたものが好ましく、本実施形態では金属からなる板状部材を用いた。本実施形態では、支持体35として銅板を用いた。なお、支持体35の材料としてはアルミニウムを用いても良い。
蛍光体層34から射出された蛍光YLは、非偏光光である。蛍光YLは、第1の集光光学系26を通過した後、偏光分離素子50Aに入射する。そして、この蛍光YLは、偏光分離素子50Aからインテグレーター光学系31に向けて進む。
一方、偏光分離素子50Aから射出されたP偏光の光線束BLpは、第2の位相差板28bによって右回り円偏光の青色光BLc1に変換され、第2の集光光学系29に入射する。第2の位相差板28bは、1/4波長板から構成されている。
第2の集光光学系29は、例えばレンズ29aから構成され、青色光BLc1を集光させた状態で拡散反射素子30に入射させる。すなわち、第2の集光光学系29は、光量制御素子40を通過し、偏光分離素子50Aを経た光を集光する。第2の集光光学系29は、拡散反射素子30の拡散反射層30aの表面に集光領域CA3を形成する。
拡散反射素子30は、拡散反射層(拡散層)30aを有する。拡散反射素子30の拡散反射層30aには、第2の集光光学系29で集光された青色光BLc1が入射する。拡散反射層30aは入射した青色光BLc1を偏光分離素子50Aに向けて拡散反射させる。拡散反射層30aとしては、青色光BLc1をランバート反射させつつ、且つ、偏光状態を乱さないものを用いることが好ましい。
以下、拡散反射素子30によって拡散反射された光を青色光BLc2と称する。本実施形態によれば、青色光BLc1を拡散反射させることで略均一な照度分布の青色光BLc2が得られる。右回り円偏光の青色光BLc1は左回り円偏光の青色光BLc2として反射される。
青色光BLc2は第2の集光光学系29によって平行光に変換された後に再び第2の位相差板28bを透過してS偏光の青色光BLs1に変換される。青色光BLs1は、偏光分離素子50Aによってインテグレーター光学系31に向けて反射される。
青色光BLs1および蛍光YLは、偏光分離素子50Aから互いに同一方向に向けて射出され、青色光BLs1と蛍光(黄色光)YLとが混ざった白色の照明光(白色光)WLが生成される。
照明光WLは、インテグレーター光学系31に向けて射出される。インテグレーター光学系31は、例えば、レンズアレイ31a,レンズアレイ31bから構成されている。レンズアレイ31a,31bは、複数の小レンズがアレイ状に配列されたものからなる。
インテグレーター光学系31を透過した照明光WLは、偏光変換素子32に入射する。
偏光変換素子32は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子32は、非偏光の蛍光YLを含む照明光WLを直線偏光に変換する。
偏光変換素子32を透過した照明光WLは、重畳レンズ33aに入射する。重畳レンズ33aはインテグレーター光学系31と協同して、被照明領域における照明光WLによる照度の分布を均一化する。このようにして、照明装置2は照明光WLを射出する。
次に、光量制御素子40に入射する光および光量制御素子40を通過した光の光路について図3を基により具体的に説明する。
図3は、ホモジナイザー光学系24から波長変換素子27に至る光路を示す模式図である。図3において、偏光分離素子50A(光学素子25A)を省略し、光路上の構成部材を同一軸状に配置して示す。また、図3において、簡略化のため、複数の第1レンズ24a1に入射した光の内、最上部および最下部の第1レンズ24a1に入射した光の光路のみを図示する。
図3に示す様に、第1のマルチレンズアレイ24aの1つの第1レンズ24a1から射出された光は、第2のマルチレンズアレイ24bの対応する第2レンズ24b1に入射することで、最終的に波長変換素子27の蛍光体層34に入射する。
一方で、図3に示す様に、実装精度のバラつきなどによって、第1レンズ24a1から射出された光のうち一部の光(以下、迷光BLx)は、第1レンズ24a1に対応しない第2レンズ24b1に入射する。図3に二点鎖線として記載するように、光量制御素子40がない場合、迷光BLxは、第1の集光光学系26を経て蛍光体層34において青色の光線束BLsが入射する領域以外の領域に入射する光路を描く。このように波長変換素子27(拡散素子)に入射した迷光BLxは、平面視で蛍光体層34の外側に形成された接合層36に入射して、接合層36の劣化を招く虞がある。また、蛍光体層34の外側に入射した迷光BLxの一部は、支持体35において反射した後に他の部材に入射し他の部材の劣化を招く虞がある。
本実施形態によれば、光量制御素子40がホモジナイザー光学系24の後段かつ第1の集光光学系26の前段に配置されている。すなわち、光量制御素子40が、ホモジナイザー光学系24と第1の集光光学系26との間に配置されている。言い換えれば、光量制御素子40が、重畳光学系41とコリメーター光学系42との間に配置されている。これにより、ホモジナイザー光学系24による光の均一化の過程で形成された迷光BLxが、蛍光体層34において、青色の光線束BLが入射する領域以外の領域、特に、接合層36に入射しないように光量制御素子40によって除去することができる。また、光量制御素子40によって、迷光BLxが他部材に入射することを抑制できる。これにより、迷光BLxが他部材の損傷および劣化を抑制できる。すなわち、本実施形態によれば、迷光BLxを遮ることで信頼性を高めた光源装置2Aおよびプロジェクター1を提供できる。
一般的に、第1の集光光学系26と波長変換素子27の蛍光体層34とはできるだけ近接して配置することが好ましい。本実施形態では、第1の集光光学系26には、蛍光体層34から射出された光をできるだけ入射させるために、第1の集光光学系26と蛍光体層34の間の隙間は1mm-2mmに設定されることが好ましい。このため、光量制御素子40を第1の集光光学系26と蛍光体層34との間に配置することは困難である。上記の構成によれば、ホモジナイザー光学系24と第1の集光光学系26との間に光量制御素子40を配置することで、第1の集光光学系26と蛍光体層34との間隔を狭くしつつ、蛍光体層34において、青色の光線束BLが入射する領域以外の領域に光が入射することを抑制できる。
図3に示す様に、本実施形態において、光量制御素子40は、本体部40aと開口部40bとを有している。開口部40bは、本体部40aに設けられている。また、重畳光学系41がホモジナイザー光学系24から射出された光を光量制御素子40の開口部40bに重畳させる。これにより、蛍光体層34の青色の光線束BLが入射する領域以外の領域に入射しようとする迷光BLxを、開口部40bの外側において本体部40aで遮り、蛍光体層34の青色の光線束BLが入射する領域以外の領域に光が入射することを抑制できる。
光量制御素子40の開口部40bの平面視形状は、蛍光体層34の平面視形状と略相似関係であることが好ましい。これにより、蛍光体層34の平面視寸法を肥大化させることなく、開口部40bを通過した光の利用効率を高めることができる。
また、重畳光学系41において重畳される重畳領域CA1の大きさは、第1の集光光学系26によって蛍光体層34の表面に集光される集光領域CA2の大きさより、大きくすることが好ましい。例えば、蛍光体層34の平面視寸法は一辺が1mm〜2mm程度の矩形状を有する。このような蛍光体層34と同寸法の開口部40bを有する光量制御素子40を高精度に形成し、高精度に配置することは困難である。重畳光学系41の重畳領域CA1の大きさを第1の集光光学系26の集光領域CA2の大きさより大きくすることで、開口部40bの平面視における大きさを、蛍光体層34の平面視における大きさより大きくすることができる。したがって、開口部40bの寸法精度および位置精度による影響を鈍化させて結果として光の利用効率を高めることができる。
なお、重畳光学系41の重畳領域CA1の大きさを第1の集光光学系26の集光領域CA2の大きさより大きくする構成は、重畳光学系41および第1の集光光学系26の焦点距離を適切に設定することで実現できる。
なお、重畳光学系41は、第1のマルチレンズアレイ24aの第1レンズ24a1の平面視形状と相似形状の重畳領域CA1を形成する。したがって、本実施形態において、第1レンズ24a1、開口部40bおよび蛍光体層34の平面視形状は、互いに相似形状となる。
ここで、第1のマルチレンズアレイ24aの第1レンズ24a1の焦点距離をf1とし、第2のマルチレンズアレイ24bの第2レンズ24b1の焦点距離をf2とする。また、第1レンズ24a1の一方向に沿う寸法をx1とする。このとき、重畳領域CA1の一方向に沿う寸法Xは、以下の(式1)により表される。
X=x1×(f2/f1) …(式1)
開口部40bの一方向に沿う寸法は、(式1)に示すXと一致させることが好ましい。すなわち、重畳領域CA1と開口部40bとを一致させることで、重畳領域CA1から外れた光を確実に遮るとともに、本来、重畳領域CA1内を通過する光を遮ることを抑制できる。
光量制御素子40の開口部40bと波長変換素子27の蛍光体層34とは、共役関係となるように配置されることが好ましい。このように配置することで、開口部40bおよび蛍光体層34には、同様の結像が重畳領域CA1および集光領域CA2として形成される。これにより、蛍光体層34に入射すべき光を本体部40aで除去することを抑制できる。また、本体部40aで遮るべき迷光BLxを開口部40bで透過させることを抑制できる。なお、光の利用効率を高めるために、開口部40bは、第1のマルチレンズアレイ24aと共役関係となるように配置されることが好ましい。すなわち、本実施形態において、第1のマルチレンズアレイ24a、開口部40bおよび蛍光体層34は、互いに共役関係となるように配置される。
本実施形態において、光量制御素子40と第1の集光光学系26との間には、コリメーター光学系42が配置されている。コリメーター光学系42は、重畳光学系41で集光された光を平行化する。なお、コリメーター光学系42は、重畳光学系41で集光された光を略平行化してもよい。コリメーター光学系42により光を平行化または略平行化することで、コリメーター光学系42の後段に位置する偏光分離素子50Aおよび第1の集光光学系26を小型化することができる。
なお、ここで光を略平行化するとは、通過する光を略平行光とすることを意味する。また、略平行光とは、光を構成する光線同士のなす角が十分に小さい状態の光を意味する。本実施形態において、コリメーター光学系42は、通過する光を光軸と平行な光とする。
重畳光学系41の焦点距離をF1とし、コリメーター光学系42の焦点距離をF2とするとき、焦点距離F1、F2は、以下の(式2)に示す関係であることが好ましい。
F1≧F2 …(式2)
すなわち、コリメーター光学系42の焦点距離F2を重畳光学系41の焦点距離F1より短くすることが好ましい。
(式2)を満たす場合、コリメーター光学系42から射出され第1の集光光学系26に入射する光束幅が、重畳光学系41に入射する光の光線幅と比較して狭くすることができる。結果として、第1の集光光学系26を小型化することができる。
本実施形態の光源装置2Aは、半導体レーザー(光源)21aから照射された光が入射する2つの拡散素子(波長変換素子27および拡散反射素子30)を有する。ここでは、図3を基に、一方の拡散素子である波長変換素子27に関する作用効果について説明した。本実施形態において、このような作用効果は、他方の拡散素子である拡散反射素子30についても奏することができる。この場合、第2の集光光学系29が第1の集光光学系26に対応して機能する。
すなわち、本実施形態において、光量制御素子40がホモジナイザー光学系24の後段かつ第2の集光光学系29の前段に配置されている。光量制御素子40が、ホモジナイザー光学系24と第1の集光光学系26との間に配置されている。言い換えれば、光量制御素子40が、重畳光学系41とコリメーター光学系42との間に配置されている。これにより、ホモジナイザー光学系24による光の均一化の過程で形成された迷光BLxが、拡散反射層30aにおいて、青色の光線束BLが入射する領域以外の領域に入射しないように光量制御素子40によって除去することができる。
したがって、本実施形態の光源装置2Aは、1つの光量制御素子40によって、2つの拡散素子(波長変換素子27および拡散反射素子30)の拡散層(蛍光体層34および拡散反射層30a)の青色の光線束BLが入射する領域以外の領域に入射しようとする迷光BLxを除去できる。
なお、拡散反射素子30と光量制御素子40の開口部40bとの位置関係(共役関係)および形状の関係(相似関係)についても、波長変換素子27と同様の構成とすることで、同様の効果を奏することができる。
すなわち、拡散反射素子30の拡散反射層30aの平面視形状は、光量制御素子40の開口部40bの平面視形状と略相似関係とすることで、拡散反射層30aの平面視寸法を肥大化させることなく、開口部40bを通過した光の利用効率を高めることができる。
また、第2の集光光学系29によって拡散反射層30aの表面に集光される集光領域CA3の大きさに対して、重畳光学系41において重畳される重畳領域CA1の大きさを大きくすることが好ましい。拡散反射層30aと同寸法の開口部40bを有する光量制御素子40を高精度に形成し、高精度に配置することは困難である。重畳光学系41の重畳領域CA1の大きさを第2の集光光学系29の集光領域CA3の大きさより大きくすることで、開口部40bの平面視における大きさを、拡散反射層30aの平面視における大きさより大きくすることができる。したがって、開口部40bの寸法精度および位置精度による影響を鈍化させて結果として光の利用効率を高めることができる。
加えて、拡散反射層30aと光量制御素子40の開口部40bとは、共役関係となるように配置されることが好ましい。このように配置することで、開口部40bおよび拡散反射層30aには、同様の結像が重畳領域CA1および集光領域CA3として形成される。これにより、拡散反射層30aに入射すべき光を本体部40aで除去することを抑制できる。また、本体部40aで遮るべき迷光BLxを開口部40bで透過させることを抑制できる。
本実施形態において、光量制御素子40の本体部40aは、入射した光を吸収するため、光量制御素子40で遮った迷光BLxが光源装置2Aの他部材に入射して損傷および劣化のような影響を与えることを抑制できる。
(変形例)
図4は、本実施形態の光源装置2Aに採用可能な、変形例の光量制御素子140並びに光量制御素子140に入射する光の光路を示す模式図である。
本変形例の光量制御素子140は、開口部140bが設けられた本体部140aと、受光体140cと、有する。本変形例の光量制御素子140は、上述の実施形態と同様に、本体部140aで一部の光を遮り開口部140bに一部の光を通過させて光量を制御する。
本変形例の本体部140aは、底面および上面が開放された四角錐台形状を有する。四角錐台の高さ方向(すなわち、四角錐台形状の底面および上面と直交する方向)は、光軸ax1と一致する。本体部140aの開口部140bは、四角錐台の上面に対応して設けられている。本体部140aの各面は、光軸ax1に対して傾斜して配置する。本体部140aは、入射した迷光BLxを光軸ax1から離れる方向に反射する。
受光体140cは、底面および上面が開放された角筒形状を有する。受光体140cは、本体部140aの周囲を囲む。すなわち、本体部140aは、角筒形状の受光体140cの内側に配置されている。受光体140cは、内側(すなわち光軸ax1側)を向く受光面140dを有する。受光体140cは、本体部140aで反射された迷光BLxを受光面140dにおいて吸収する。これにより、迷光BLxが光源装置2Aの他部材に入射して損傷および劣化のような影響を与えることを抑制できる。
(第2実施形態)
図5は、第2実施形態の照明装置102の概略構成を示す図である。第2実施形態の照明装置102は、第1実施形態と比較して、白色光WLを構成する蛍光(黄色光)YLと青色光Bのうち、青色光Bを生成する構成が主に異なる。
なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
図5に示すように、照明装置102は、第1の光源装置102Aと、第2の光源装置102Bと、を有する。また、照明装置102は、第1実施形態と同様に、インテグレーター光学系31と、偏光変換素子32と、重畳レンズ33aとを備えている。
第1の光源装置102Aは、アレイ光源21と、コリメーター光学系22と、アフォーカル光学系23と、ホモジナイザー光学系24と、重畳光学系41と、光量制御素子40と、コリメーター光学系42と、ダイクロイックミラー150Aと、第1の集光光学系(集光光学系)26と、波長変換素子(拡散素子)27と、を有している。
ダイクロイックミラー150Aは、コリメーター光学系42から第1の集光光学系26までの光路中に、光軸ax1および光軸ax2のそれぞれに対して45°の角度で交わるように配置されている。ダイクロイックミラー150Aは、青色光Bを反射し、赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光YLを通過させる。
第1の光源装置102Aは、半導体レーザー21aから照射された光を、ホモジナイザー光学系24で均一化し、光量制御素子40で一部の光を遮り、他部の光を第1の集光光学系26で集光して波長変換素子27に入射させる。波長変換素子27の蛍光体層34は、光線束BLによって励起され、蛍光(黄色光)YLを射出する。蛍光体層34から射出された蛍光YLは、ダイクロイックミラー150Aを透過して、偏光分離素子50Aからインテグレーター光学系31に向けて進む。
本実施形態の第1の光源装置102Aによれば、第1の実施形態と同様に、光量制御素子40がホモジナイザー光学系24の後段かつ第1の集光光学系26の前段に配置されている。すなわち、光量制御素子40が、ホモジナイザー光学系24と第1の集光光学系26との間に配置されている。言い換えれば、光量制御素子40が、重畳光学系41とコリメーター光学系42との間に配置されている。これにより、ホモジナイザー光学系24による光の均一化の過程で形成された迷光が、蛍光体層34において、青色の光線束BLが入射する領域以外の領域、特に、接合層36に入射しないように、光量制御素子40によって除去することができる。
第2の光源装置102Bは、半導体レーザー160、第2の集光光学系161、拡散板(拡散素子)130およびコリメーター光学系162と、を備える。
半導体レーザー160は、青色光B(例えばピーク波長が460nmのレーザー光)を射出する。
第2の集光光学系161は、第2の集光レンズ161aを備える。第2の集光光学系161は、青色用半導体レーザー160からの青色光Bを拡散板130に集光する。第2の集光レンズ161aは、凸レンズからなる。
拡散板130は、半導体レーザー160からの青色光Bを拡散して透過させ、蛍光体層34から射出される蛍光YLの配光分布に似た配光分布とする。拡散板130としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスを用いることができる。
コリメーター光学系162は、コリメーターレンズ162aを備え、拡散板130から出射された光を略平行化する。
第2の光源装置102Bからの青色光Bはダイクロイックミラー150Aで反射され、蛍光体層34から射出されダイクロイックミラー150Aを透過した蛍光YLと合成されて白色光WLとなる。白色光WLはインテグレーター光学系31に入射する。
本実施形態によれば、白色光WLを構成する光のうち、蛍光YLを生成する光の光路中に光量制御素子40が設けられている。すなわち、レーザー光源21aから波長変換素子27の蛍光体層34の経路中であって、ホモジナイザー光学系24と第1の集光光学系26との間に、光量制御素子40が配置されている。これにより、ホモジナイザー光学系24による光の均一化の過程で形成された迷光を光量制御素子40によって除去できる。結果として、蛍光体層34において、青色の光線束BLが入射する領域以外の領域への迷光の入射を抑制できる。波長変換素子27は、接合層36によって固定されるため、蛍光体層34の周囲に設けられている接合層36に迷光が入射することを抑制でき、波長変換素子の剥離を抑制できる。
一方で、本実施形態では、青色光Bを生成する光の光路中には、光量制御素子40が設けられていない。すなわち、拡散板(拡散素子)130に入射する光は、光量制御素子40を経た光ではない。このように、複数の拡散素子を有する照明装置102について、1つの拡散素子に入射する光の光路中にのみ光量制御素子40を設けてもよい。
なお、本実施形態において、拡散板130の前段に、ホモジナイザー光学系と光量制御素子を設けることで、拡散板130の所望の領域にのみ光を入射させる構成を採用してもよい。
また、本実施形態について、波長変換素子27に代えて第1の実施形態の拡散反射板(図2に示す拡散反射素子30)を配置してもよい。この場合、第2の光源装置102Bにおいて蛍光YLを生成する構成を設けることで、白色光WLを形成できる。
以上に、本発明の様々な実施形態およびその変形例を説明したが、各実施形態およびその変形例における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。
例えば、上記実施形態では、光量制御素子40、140が1つの本体部40a、140aを有する場合について説明した。しかしながら、本体部は光軸ax1方向に沿って並ぶ複数の分割部材から構成されていてもよい。例えば、光軸ax1方向から見て、左右領域の光を遮る第1の本体部と、第1の本体部の光軸方向後方に位置し上下領域の光を遮る第2の本体部を有する構造であってもよい。この場合、光軸ax1方向から見て、第1の本体部および第2の本体部が重なり合うことで、中央に開口部が形成される。すなわち、開口部は、光軸方向から見た際に、本体部に囲まれた光を通過させる領域であればよい。
また、上記実施形態では、光量制御素子40、140の前段に重畳光学系41を設け開口部40b、140bに光を重畳させる場合について説明した。しかしながら、重畳光学系41を有していなくてもよい。この場合、ホモジナイザー光学系24により分割された複数の部分光束に対応し第1および第2レンズと同数の開口部を設けた光量制御素子によって光の一部を遮る構成を採用できる。
また、上記実施形態では、拡散素子(波長変換素子27および拡散反射素子30)として固定方式のものを例に挙げたが、拡散素子が回転可能な回転方式のものを採用しても良い。
また、上記実施形態では、3つの光変調装置4R,4G,4Bを備えるプロジェクター1を例示したが、1つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。
また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
1…プロジェクター、2A…光源装置、4B,4G,4R…光変調装置、6…投射光学系、21a…半導体レーザー(光源)、24…ホモジナイザー光学系、24a…第1のマルチレンズアレイ、24a1…第1レンズ、24b…第2のマルチレンズアレイ、24b1…第2レンズ、26…第1の集光光学系(集光光学系)、27…波長変換素子(拡散素子)、29…第2の集光光学系(集光光学系)、30…拡散反射素子(拡散素子)、30a…拡散反射層(拡散層)、34…蛍光体層(拡散層)、35…支持体、36…接合層、40,140…光量制御素子、40a,140a…本体部、40b,140b…開口部、41…重畳光学系、42…コリメーター光学系、140c…受光体

Claims (8)

  1. 光源と、
    前記光源から射出された光が入射する複数の第1レンズを有する第1のマルチレンズア
    レイと、それぞれ対応する前記第1レンズを透過した光が入射する複数の第2レンズを有
    する第2のマルチレンズアレイとを備え、前記光源から射出された光を均一化するホモジ
    ナイザー光学系と、
    前記ホモジナイザー光学系から射出した光の光量を制御する光量制御素子と、
    前記ホモジナイザー光学系と前記光量制御素子との間に位置し、前記ホモジナイザー光
    学系から射出された光を前記光量制御素子の前記開口部に重畳させる重畳光学系と、
    前記光量制御素子を通過した光を集光する集光光学系と、
    前記集光光学系で集光された光が入射する拡散素子と、を備え、
    前記光量制御素子は、開口部が設けられた本体部を有し、
    前記光量制御素子は、前記本体部で一部の光を遮るとともに、前記開口部に一部の光を
    通過させて光量を制御する
    光源装置。
  2. 前記拡散素子は、入射した光を拡散させる拡散層と、前記拡散層を支持する支持体と、
    前記拡散層と前記支持体とを接合する接合層と、を有する、
    請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記光量制御素子と前記集光光学系との間に位置し、前記光量制御素子を透過した光を
    平行化するコリメーター光学系と、を備える、
    請求項に記載の光源装置。
  4. 前記重畳光学系は、非球面レンズである、
    請求項1〜3に記載の光源装置。
  5. 前記光量制御素子の前記本体部は、入射した光を吸収する、
    請求項の何れか一項に記載の光源装置。
  6. 前記光量制御素子の前記本体部は、入射した光を反射し、
    前記光量制御素子は、前記本体部で反射された光を吸収する受光体を有する、
    請求項の何れか一項に記載の光源装置。
  7. 前記拡散素子は、前記光源から射出された光の波長を変換する波長変換素子である、
    請求項1〜の何れか一項に記載の光源装置。
  8. 請求項1〜の何れか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出される光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成す
    る光変調装置と、
    前記画像光を投射する投射光学系と、を備える、
    プロジェクター。
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